锂硫电池正极复合材料的研究

发布时间：2017-07-20 07:25

  本文关键词：锂硫电池正极复合材料的研究

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【摘要】：近年来锂硫电池凭借其高能量密度、绿色环保和低成本等特点,已成为未来动力电池最具吸引力的体系之一。而锂硫电池正极材料因硫的绝缘性以及放电中间产物的溶解性,成为近年的研究热点。本文使用廉价的、更具商业化潜质的活性炭,与升华硫复合制备锂硫电池正极材料,来改善其电化学性能。通过300℃气相蒸硫及脱硫处理,分别制备出四种不同活性炭/硫复合物,发现每种复合物的载硫量均不一样,通过对吸脱附曲线进行分析,发现载硫量与活性炭的比表面积和孔容并无直接关系,而在活性炭孔径2.25nm-3.23nm以下的总孔容却能满足复合物的载硫量规律,即2.25nm-3.23nm以下的孔体积越大,载硫量越高。从四种不同活性炭/硫复合材料在醚类电解液中的放电曲线可以发现,ZX999/S和YP50F/S硫碳复合物的放电曲线中有新平台(1.5V-1.8V)的出现。通过对锂硫电池放电机理以及活性炭结构进行分析,得到新平台的出现得益于活性炭中0.87-0.68nm孔径以下的孔道结构,即在此孔径以下的孔道中富含小硫分子(S2-4)。此外,此富含小硫分子的复合物在碳酸酯类电解液中表现出了很好的电化学循环性能。将石墨烯、活性炭、Super-p三种碳材料作为涂层,制备出类似于三明治的多层复合结构正极材料,此结构充分利用碳涂层和隔膜两层物质,改善了正极材料的电化学性能。石墨烯因其特殊的片状结构和高导电性,以及活性炭的高比表面积和丰富的孔道结构,当其作为涂层时,首次放电中硫的利用率均能达到90%左右,且24次充放电循环后,比容量依然保持在1000m Ah/g左右。通过球磨活性炭YP50F和相应的表征发现,球磨后的活性炭比表面积和孔容相应增大,而粒径大幅度减小。当采用液相复合制备出复合物后,发现在蓝电测试中,首次放电复合物中硫的利用率由68%提高到了95%,且60次循环后,比容量的保持量从600m Ah/g提高到了900m Ah/g。将球磨后未脱硫的复合物进行不同脱硫方式比较,发现CS2液相脱硫的复合物不但载硫量(41%)比300℃气相脱硫(38%)高,而且在蓝电测试中,液相脱硫复合物的放电中压高于气相脱硫;除此之外,30次循环后,液相脱硫复合物比容量保持在1200m Ah/g左右,而气相脱硫的复合物仅维持在1000m Ah/g左右。
【关键词】：锂硫电池 碳材料 硫/碳材料 活性炭
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 引言10
• 1.2 锂电池发展概述10-12
• 1.3 锂硫电池概述及原理12-15
• 1.3.1 锂硫电池概述12
• 1.3.2 锂硫电池原理12-14
• 1.3.3 锂硫正极材料存在的问题和解决途径14-15
• 1.4 锂硫电池正极材料的研究现状15-20
• 1.4.1 碳材料15-18
• 1.4.2 无机二元金属硫化物18
• 1.4.3 导电聚合物18-20
• 1.4.4 纳米金属氧化物20
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容20-22
• 2 实验方法22-26
• 2.1 实验试剂和常用仪器22-23
• 2.1.1 主要的实验试剂22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.2 材料的结构表征23-24
• 2.2.1 X射线衍射分析23
• 2.2.2 等温吸脱附曲线分析23-24
• 2.2.3 扫描电镜分析24
• 2.2.4 热重分析仪分析24
• 2.3 电化学性能测试24-26
• 2.3.1 级片的制备和纽扣电池的组装24-25
• 2.3.2 蓝电(Land)电池测试系统25-26
• 3 活性炭孔径分布对锂硫正极材料的影响研究26-37
• 3.1 引言26
• 3.2 实验部分26-27
• 3.2.1 活性炭/硫复合材料的制备方法26-27
• 3.2.2 样品表征27
• 3.2.3 极片制备27
• 3.2.4 电化学测试27
• 3.3 实验结果和讨论27-36
• 3.3.1 X射线衍射(XRD)分析27-28
• 3.3.2 扫描电镜(SEM)分析28-29
• 3.3.3 吸脱附曲线分析29-31
• 3.3.4 热重数据分析31-33
• 3.3.5 电化学性能分析33-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 锂硫电池多层复合正极材料研究37-47
• 4.1 引言37-38
• 4.2 实验部分38
• 4.2.1 多层复合正极材料的制备38
• 4.2.2 材料表征38
• 4.2.3 级片制备38
• 4.2.4 模拟电池的组装及电化学性能测试38
• 4.3 实验结果与讨论38-45
• 4.3.1 碳材料的吸脱附曲线分析38-40
• 4.3.2 扫描电镜及电池级片照片分析40-43
• 4.3.3 复合多层结构的电化学性能分析43-45
• 4.4 本章小结45-47
• 5 活性炭/硫正极材料复合及除硫工艺研究47-65
• 5.1 引言47
• 5.2 实验部分47-48
• 5.2.1 活性炭/硫复合材料的制备47-48
• 5.2.2 碳材料及复合材料的表征48
• 5.2.3 级片制备48
• 5.2.4 模拟电池的组装及电化学性能测试48
• 5.3 实验结果与讨论48-63
• 5.3.1 X射线衍射（XRD）分析48-49
• 5.3.2 碳材料的吸脱附曲线分析49-53
• 5.3.3 扫描电镜（SEM）分析53-56
• 5.3.4 TGA-DSC和硫碳分析仪分析56-57
• 5.3.5 复合材料的电化学性能分析57-63
• 5.4 本章小结63-65
• 6 结论65-67
• 参考文献67-71
• 致谢71

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